Introducción
El polímero reforzado con fibra (FRP), también de plástico reforzado con fibra, es un material compuesto hecho de una matriz de polímero reforzada con fibras. Las fibras suelen ser de vidrio, carbono o aramida, aunque a veces se han utilizado otras fibras como el papel o la madera o el asbesto. El polímero suele ser un plástico termoestable epoxi, vinilestre o poliéster, y las resinas de formaldehído de fenol todavía están en uso. Los FRP se usan comúnmente en las industrias aeroespaciales, automotrices, marinas y de construcción.
Los materiales compuestos están diseñados o materiales naturales hechos de dos o más materiales constituyentes con propiedades físicas o químicas significativamente diferentes que permanecen separadas y distintas dentro de la estructura terminada. La mayoría de los compuestos tienen fibras fuertes y rígidas en una matriz que es más débil y menos rígida. El objetivo generalmente es hacer un componente que sea fuerte y rígido, a menudo con una baja densidad. El material comercial comúnmente tiene fibras de vidrio o carbono en matrices basadas en polímeros termoestables, como resinas epoxi o poliéster. A veces, se pueden preferir polímeros termoplásticos, ya que son moldeables después de la producción inicial. Hay más clases de compuesto en las que la matriz es un metal o una cerámica. En su mayor parte, estos todavía están en una etapa de desarrollo, con problemas de altos costos de fabricación aún por superar. Además, en estos compuestos, las razones para agregar las fibras (o, en algunos casos, las partículas) a menudo son bastante complejas; Por ejemplo, se pueden buscar mejoras en la fluencia, el desgaste, la resistencia a la fractura, la estabilidad térmica, etc.
El polímero reforzado con fibra (FRP) son compuestos utilizados en casi todos los tipos de estructura de ingeniería avanzada, con su uso que va desde aviones, helicópteros y naves espaciales hasta barcos, barcos y plataformas en alta mar y hasta automóviles, artículos deportivos, equipos de procesamiento químico e infraestructura civil como puentes y edificios. El uso de los compuestos de FRP continúa creciendo a un ritmo impresionante, ya que estos materiales se usan más en sus mercados existentes y se establecen en mercados relativamente nuevos, como dispositivos biomédicos y estructuras civiles. Un factor clave que impulsa el aumento de las aplicaciones de los compuestos en los últimos años es el desarrollo de nuevas formas avanzadas de materiales FRP. Esto incluye desarrollos en sistemas de resina de alto rendimiento y nuevos estilos de refuerzo, como nanotubos de carbono y nanopartículas. Este libro proporciona una descripción actualizada de la fabricación, propiedades mecánicas, resistencia a la delaminación, tolerancia al impacto y aplicaciones de compuestos 3D FRP.
Los compuestos de polímeros reforzados (FRP) de fibra se consideran cada vez más como una mejora y/o sustituto de componentes o sistemas de infraestructura que están construidos con materiales tradicionales de ingeniería civil, a saber, concreto y acero. Los compuestos de FRP son livianos, sin corrosivo, exhiben una alta resistencia específica y una rigidez específica, se construyen fácilmente y se pueden adaptar para satisfacer los requisitos de rendimiento. Debido a estas características ventajosas, los compuestos de FRP se han incluido en la nueva construcción y la rehabilitación de estructuras a través de su uso como refuerzo en concreto, mazos de puentes, estructuras modulares, forma de trabajo y refuerzo externo para el fortalecimiento y la actualización sísmica.
La aplicabilidad de los refuerzos de polímero reforzado con fibra (FRP) a estructuras concretas como sustituto de barras de acero o tendones de pretensado se ha estudiado activamente en numerosos laboratorios de investigación y organizaciones profesionales de todo el mundo. Los refuerzos de FRP ofrecen una serie de ventajas, como resistencia a la corrosión, propiedades no magnéticas, alta resistencia a la tracción, liviano y facilidad de manejo. Sin embargo, generalmente tienen una respuesta elástica lineal en la tensión hasta la falla (descrita como una falla frágil) y una resistencia transversal o de corte relativamente pobre. También tienen poca resistencia al fuego y cuando están expuestos a altas temperaturas. Pierden la fuerza significativa al doblar, y son sensibles a los efectos de ruptura de estrés. Además, su costo, ya sea considerado por unidad de peso o sobre la base de la capacidad de carga de la fuerza, es alto en comparación con las barras convencionales de refuerzo de acero o tendones de pretensado. Desde un punto de vista de ingeniería estructural, los problemas más graves con los refuerzos de FRP son la falta de comportamiento plástico y la muy baja resistencia al corte en la dirección transversal. Dichas características pueden conducir a la ruptura del tendón prematuro, particularmente cuando están presentes los efectos combinados, como en los planos de cizallamiento en rayos de concreto reforzados donde existe la acción de la espiga. La acción de la espiga reduce la resistencia residual de tracción y corte en el tendón. Se han ofrecido soluciones y limitaciones de uso y se esperan mejoras continuas en el futuro. Se espera que el costo unitario de los refuerzos de FRP disminuya significativamente con una mayor participación en el mercado y demanda. Sin embargo, incluso hoy, hay aplicaciones en las que los refuerzos de FRP son rentables y justificables. Dichos casos incluyen el uso de hojas o placas FRP unidas en la reparación y el fortalecimiento de las estructuras de concreto, y el uso de mallas FRP o textiles o telas en productos de cemento delgados. El costo de reparación y rehabilitación de una estructura es siempre, en términos relativos, sustancialmente más alto que el costo de la estructura inicial. La reparación generalmente requiere un volumen relativamente pequeño de materiales de reparación, pero un compromiso relativamente alto en el parto. Además, el costo de la mano de obra en los países desarrollados es tan alto que el costo del material se vuelve secundario. Por lo tanto, cuanto más alto es el rendimiento y la durabilidad del material de reparación, más rentable es la reparación. Esto implica que el costo del material no es realmente un problema en la reparación y que el hecho de que los materiales de reparación de FRP son costosos no es un inconveniente restringido.
Al considerar solo la energía y los recursos materiales, aparece, en la superficie, el argumento de los compuestos de FRP en un entorno construido sostenible es cuestionable. Sin embargo, dicha conclusión debe evaluarse en términos de ventajas potenciales presentes en el uso de compuestos de FRP relacionados con consideraciones como:
Mayor resistencia
Peso más ligero
Mayor rendimiento
Más duradero
Rehabilitar las estructuras existentes y extender su vida
Actualizaciones sísmicas
Sistemas de defensa
Sistemas espaciales
Ambientes oceánicos
En el caso de los compuestos de FRP, las preocupaciones ambientales parecen ser una barrera para su viabilidad como material sostenible, especialmente al considerar el agotamiento de los combustibles fósiles, la contaminación del aire, el smog y la acidificación asociada con su producción. Además, la capacidad de reciclar los compuestos de FRP es limitada y, a diferencia del acero y la madera, los componentes estructurales no pueden reutilizarse para realizar una función similar en otra estructura. Sin embargo, evaluar el impacto ambiental de los compuestos de FRP en aplicaciones de infraestructura, específicamente a través del análisis del ciclo de vida, puede revelar beneficios directos e indirectos que son más competitivos que los materiales convencionales.
Los materiales compuestos se han desarrollado enormemente desde que se introdujeron por primera vez. Sin embargo, antes de que los materiales compuestos puedan usarse como una alternativa a los materiales convencionales como parte de un entorno sostenible que permanecen una serie de necesidades.
Disponibilidad de datos de caracterización de durabilidad estandarizada para materiales compuestos de FRP.
Integración de datos de durabilidad y métodos para la predicción de la vida útil de miembros estructurales utilizando compuestos FRP.
Desarrollo de métodos y técnicas para la selección de materiales basados en las evaluaciones del ciclo de vida de los componentes y sistemas estructurales.
En última instancia, para que los compuestos se consideren realmente una alternativa viable, deben ser estructural y económicamente factibles. Numerosos estudios sobre la viabilidad estructural de los materiales compuestos están ampliamente disponibles en la literatura. Sin embargo, los estudios limitados están disponibles sobre la viabilidad económica y ambiental de estos materiales desde la perspectiva de un enfoque del ciclo de vida, ya que los datos a corto plazo están disponibles o solo los costos económicos se consideran en la comparación. Además, se deben determinar los efectos a largo plazo del uso de materiales compuestos. Los subproductos de la producción, la sostenibilidad de los materiales constituyentes y el potencial de reciclar materiales compuestos deben evaluarse para determinar los materiales compuestos pueden ser parte de un entorno sostenible. Por lo tanto, en este capítulo describe las propiedades fisicoquímicas de los polímeros y los compuestos más utilizados en la ingeniería civil. El tema se abordará en un simple y básico para una mejor comprensión.
